Выключатель с подсветкой для светодиодных ламп

Во многих выключателях встроена очень полезная функция – подсветка. С этой функцией исключены поиски выключателя в темной комнате. Как же она работает? Подсветка устроена довольно просто: под клавишей выключателя помещается миниатюрный световой индикатор, а в клавише сделано небольшое окно, через которое можно видеть состояние выключателя.

Выключатель с подсветкой в интерьере комнаты

В качестве индикатора используют неоновую лампочку или светодиод, в работе каждого из них есть свои особенности. Во многих источниках сообщается, что такие выключатели можно использовать только с галогенными и лампами накаливания, так как энергосберегающие – с такими выключателями вспыхивают, а светодиодные – немного светятся в темноте.

Для того чтобы разобраться с этими явлениями надо понимать механизм работы каждого индикатора.

Неоновый индикатор

Во многих выключателях используют неоновую лампочку в качестве индикатора, она представляет собой чаще всего стеклянный баллон, заполненный неоном, в котором размещены на некотором расстоянии друг от друга два электрода.

Давление газа очень небольшое – несколько десятых долей мм ртутного столба. В такой среде между электродами при подаче на них напряжения возникает так называемый тлеющий разряд – это светятся ионизированные молекулы газа. В зависимости от рода газа цвет свечения может быть самым разным: от красного у неона, до сине-зеленого у аргона.

Неоновая лампа

На рисунке изображена миниатюрная неоновая лампочка, в электротехнике их чаще всего используют в качестве индикаторов наличия тока.

Подсветка на неоновой лампочке

Выключатель с подсветкой на неоновой лампочке очень надежен, срок службы лампочки более 5 тыс. часов, индикатор хорошо виден в темноте. Схема подключения проста.

Схема подключения подсветки на неоновой лампочке

На схеме изображено подключение подсветки из неонки к выключателю. L1 – это неоновая лампочка из типа МН-6, ток 0,8 мА, напряжение зажигания 90 В, это данные из справочника. R1 – гасящий резистор, S1 – выключатель освещения.

Расчет гасящего резистора

Сопротивление резистора рассчитывается по формуле:

R=∆U/I  ОМ,

где R – сопротивление резистора (Ом);
∆U – разность (Uс – Uз) между напряжением сети и зажиганием лампы в вольтах;
I – сила тока лампы (А).

R=(220-90)/0,0008=162500 ОМ.

Ближайший номинал резистора 150 кОм. Вообще номинал резистора можно выбирать в пределах от 150 до 510 кОм, при этом лампочка нормально работает, при большем номинале увеличивается долговечность, и уменьшается рассеиваемая мощность.

Мощность резистора вычисляется по следующей формуле:

P=∆U×I Вт,

где P – мощность (Вт), рассеиваемая на резисторе;

P=220-90 × 0,0008 = 0,104 Вт.

Ближайший больший номинал мощности резистора – 0,125 Вт. Этой мощности вполне хватает, резистор едва заметно нагревается, не более чем до 40-50 градусов, что вполне допустимо. Если есть возможность, желательно поставить резистор мощностью 0,25 Вт.

Конструкция

Если припаять вывод резистора к любому выводу лампы, можно собрать схему.

Собранная подсветка своими руками

Остается собранную схему подключить. Для этого при снятом корпусе выключателя вывод резистора подключается к одной клемме, а лампочки – к другой.

Схема работы неоновой подсветки

Теперь при выключенном положении клавиши, ток будет идти через схему (нижний рисунок), а так как ток ограничен сопротивлением, то силы его хватит, чтобы зажечь подсветку, но совершенно недостаточно для работы лампы освещения. При включении выводы схемы подсветки закорачиваются, и ток течет через выключатель, минуя подсветку, к лампе освещения (верхний рисунок).

Светодиодная подсветка

Часто встречается подсветка из светодиода, который представляет собой полупроводниковый прибор излучающий свет при протекании через него электрического тока.

Цвет светоизлучающего диода зависит от материала, из которого он изготовлен и в некоторой степени от приложенного напряжения. Светодиоды представляют собой соединение двух полупроводников различных типов проводимости p и n. Называют это соединение – электронно-дырочный переход, именно на нем возникает излучение света при прохождении через него прямого тока.

Возникновение светового излучения объясняется рекомбинацией носителей зарядов в полупроводниках, на приведенном ниже рисунке изображена примерная картина происходящего в светодиоде.

Рекомбинация носителей зарядов и возникновение светового излучения

На рисунке кружком со знаком «–» обозначены отрицательные заряды, они находятся в зеленой области, так условно обозначена область n. Кружок со знаком «+» символизирует положительные носители тока, находятся они в коричневой зоне p, граница между этими областями и есть p-n переход.

Когда под действием электрического поля положительный заряд преодолевает p-n переход, то прямо на границе он соединяется с отрицательным. А так как при соединении происходит и возрастание энергии от столкновения этих зарядов, то часть энергии идет на нагревание материала, а часть излучается в виде светового кванта.

Конструктивно светодиод представляет собой металлическое, чаще всего медное основание, на котором закреплены два кристалла полупроводников разной проводимости, один из них является анодом, другой – катодом. К основанию приклеен алюминиевый рефлектор с закрепленной на нем линзой.

Как можно понять из рисунка ниже, немало в конструкции уделено внимания отводу тепла, это неслучайно, так как полупроводники хорошо работают в узком тепловом коридоре, выход за его границы нарушает работу прибора вплоть до выхода из строя.

Схема устройства светодиода

Светодиоды очень чувствительны к превышению порогового напряжения, даже кратковременный импульс выводит его из строя. Поэтому токоограничивающие резисторы должны быть подобраны очень точно. Кроме того, светодиод рассчитан на прохождение тока только в прямом направлении, т.е. от анода к катоду, если прикладывается напряжение обратной полярности, то это также может вывести его из строя.

И все же, несмотря на эти ограничения, светодиоды широко применяются для подсветки в выключателях. Рассмотрим схемы включения и защиты светодиодов в выключателях.

Подсветка на светодиоде

На рисунке ниже приведена схема подсветки. Она содержит: гасящий резистор R1, светодиод VD2 и защитный диод VD1. Буква а – анод светодиода, k – катод.

Схема подсветки на светодиоде

Так как рабочее напряжение светодиода гораздо ниже сетевого, то для его снижения используют гасящие резисторы, в зависимости от потребляемого тока его сопротивление будет разным.

Расчет сопротивления резистора

Сопротивление резистора R рассчитывается по формуле:

где R – сопротивление гасящего резистора (Ом);

U_c – напряжение сети (здесь 220 В);

U_сд – рабочее напряжение светодиода (В);

I_сд – рабочий ток светодиода (А);

Сделаем расчет гасящего резистора для светодиода АЛ307А. Исходные данные: рабочее напряжение 2 В, сила тока от 10 до 20 мА.

Используя вышеприведенную формулу, R_макс=(220 – 2)/0,01=218 00 ОМ, R_мин= (220 – 2)/0,02=10900 ОМ. Получаем, что сопротивление резистора должно лежать в пределах от 11 до 22 кОм.

Расчет мощности

Также надо рассчитать мощность, рассеиваемую резистором, ее рассчитывают по формуле:

где Р – мощность, рассеиваемая на резисторе (Вт);

U_c – напряжение сети (здесь 220 В);

U_сд – рабочее напряжение светодиода (В);

I_сд – рабочий ток светодиода (А);

Подсчитываем мощность: Р_мин=(220-2)*0,01 = 2,18 Вт, Р_макс=(220-2)*0,02=4,36 Вт. Как следует из расчета, мощность, рассеиваемая резистором, довольно значительная.

Из номиналов мощностей резисторов самый ближайший больший – это 5 Вт, но такой резистор довольно больших габаритов, и спрятать его в корпус выключателя не удастся, да и впустую тратить электроэнергию нерационально.

Так как расчет проводился на максимально допустимый ток светодиода, а в таком режиме у него многократно снижается долговечность, снизив ток в два раза, можно убить двух зайцев: уменьшить рассеиваемую мощность и увеличить срок службы светодиода. Для этого надо просто увеличить сопротивление резистора вдвое до 22-39 кОм.

Подключение подсветки к клеммам выключателя

На рисунке выше приведена схема подключения подсветки к клеммам выключателя. К одной клемме подходит фазный провод сети, ко второй –провод от лампочки освещения, подсветка подключается к двум этим клеммам. Когда выключатель разомкнут, то через схему подсветки течет ток, и она горит, но лампа освещения не светится. Если выключатель замкнуть, то напряжение потечет по цепи, минуя подсветку, освещение включится.

Применение конденсатора

В качестве гасящего элемента можно применить конденсатор, он в отличие от резистора имеет не активное, а реактивное сопротивление, поэтому при прохождении через него тока на нем не выделяется тепло.

Все дело в том, что при движении электронов по проводящему слою резистора, они сталкиваются узлами кристаллической решетки материала и передают им часть своей кинетической энергии. Поэтому материал нагревается, а электрический ток испытывает сопротивление продвижению.

Совершенно другие процессы возникают при движении тока через конденсатор. Конденсатор в простейшем случае представляет собой две металлических пластины, разделенные диэлектриком, так что постоянный электрический ток через него течь не может. Но зато на этих пластинах может сохраняться заряд, и если его периодически заряжать и разряжать, то в цепи начинает течь переменный ток.

Расчет гасящего конденсатора

Если конденсатор включить в цепь переменного тока, то он через него будет протекать, но в зависимости от емкости и частоты тока его напряжение снизится на какую-то величину. Для вычисления используют следующую формулу:

где X_c – емкостное сопротивление конденсатора (ОМ);

f – частота тока в сети (в нашем случае 50 ГЦ);

С – емкость конденсатора в (мкФ);

Для расчетов эта формула не совсем удобна, поэтому на практике чаще всего прибегают к следующей – эмпирической, которая позволяет с достаточной точностью проводить подбор конденсатора.

C=(4,45*I)/(U-U_д)

Исходные данные: U_c –220 В; U_сд –2 В; I_сд –20 мА;

Находим емкость конденсатора С =(4,45*20)/(220-2)=0,408 мкФ, из ряда номинальных емкостей Е24 выбираем ближайший меньший 0,39 мкФ. Но при выборе конденсатора необходимо еще учитывать его рабочее напряжение, оно должно быть не меньше, чем U_c*1,41.

Дело в том, что в цепи переменного тока принято различать действующее и эффективное напряжение. Если форма тока синусоидальная, то действующее напряжение в 1,41 больше эффективного. Значит, конденсатор должен иметь минимальное рабочее напряжение 220*1,41=310 В. А так как такого номинала нет, то ближайший больший будет 400 В.

Для этих целей можно использовать пленочный конденсатор типа К73-17, его габариты и масса вполне позволяют разместить в корпусе выключателя.

Выключатель в работе. Видео

О совместной работе светодиодной лампы и выключателя с подсветкой можно узнать из этого видео.

Все расчеты, сделанные в статье, действительны для режима нормального свечения, при использовании их для выключателей номиналы резисторов можно скорректировать в сторону увеличения в 2-3 раза. Это уменьшит яркость свечения светодиода, неонки и мощность рассеивания резисторов, а значит, и их габариты.

Если в качестве гасящего сопротивления используется конденсатор, то его номинал нужно корректировать в сторону уменьшения для снижения яркости, а также габаритов, но рабочее напряжение конденсатора снижать нельзя.

Снижение силы тока через подсветку уменьшает вероятность мигания энергосберегающих ламп в темноте, так как уровень зарядки входного конденсатора в импульсном преобразователе этих ламп не достигает порога запуска.